迎接 DRAM 新时代 – 浅谈 DDR4 的技术变革与市场趋势

作者 | 发布日期 2015 年 01 月 24 日 0:47 | 分类 市场动态 , 芯片 , 零组件
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动态随机存取内存(Dynamic Random-Access Memory,DRAM)是常见的内存元件。在处理器相关运作中,DRAM 经常被用来当作资料与程序的主要暂存空间。相对于硬盘或是快闪内存(Flash Memory),DRAM 具有存取速度快、体积小、密度高等综合优点,因此广泛的使用在各式各样现代的科技产品中,例如电脑、手机、游戏机、影音播放器等等。



自 1970 年英代尔(Intel)发布最早的商用 DRAM 芯片-Intel 1103 开始,随着半导体技术的进步与科技产品的演进,DRAM 标准也从非同步的 DIP、EDO DRAM、同步的 SDRM(Synchronous DRAM)、进展到上下缘皆可触发的 DDR DRAM(Double-Data Rate DRAM)。每一代新的标准,目的不外乎是针对前一代做以下的改进:单位面积可容纳更多的内存、资料传输的速度更快、以及更少的耗电量。更小、更快、更省电,是半导体产业永不停息的追求目标,当然 DRAM 也不例外。

固态技术协会(JEDEC)于 2012 年 9 月正式公布最新的 DDR DRAM 标准,DDR4(第四代 DDR DRAM)。距上一代 DDR DRAM,也就是 DDR3 的发布,已有 5 年之久。对于产品日新月异,瞬息万变的科技业而言,5 年是非常久的时间。2007 年 6 月第一代 iPhone 问世,同年 DRAM 产业宣布 DDR3 时代来临;到了 2012 年,iPhone 都已经推进到 iPhone5 了,DRAM 才正式进入 DDR4,相比之下 DRAM 的进步不得不说相当缓慢。随着移动设备的盛行,个人电脑市场逐渐式微,加上缺乏可以刺激消费者积极更新设备的应用程序,这些因素都降低了大众对新一代 DRAM 标准的渴望。即使新标准看起来有更多优点,但无法激起消费者的购买欲望,就没有市场,新一代 DRAM 的需求若不显著,DRAM 厂对于投入资金研发新技术的意愿就显得意兴阑珊,新标准的制定也就不那么急迫了。

DDR4 PK.DDR3

即使缓步前进,DDR4 终究还是来到大家的面前。新的标准必定带来新的气象,让我们来看看 DDR4 与 DDR3 有什么不同之处:

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▲ DDR4 标准与 DDR3 标准简单对照表(Source:micron

  • 储存容量: 单一的 DDR4 芯片拥有比 DDR3 多一倍的储存空间,而每个 DDR4 模组(module)最多可搭载 8 个 DDR4 芯片,比 DDR3 多一倍。也就是说,DDR4 模组的最大容量比 DDR3 多 4 倍。主机板上相同的位置,DDR4 可容纳更大的内存容量;换个角度来说,在容量需求不变的情况下,DDR4所需的空间比 DDR3 要小。
  • 传输速度: DDR3 的传输速度从 800MHz(MHz = 每秒百万次)到 2188MHz 不等;而 DDR4 的传输速度从 2188MHz 起跳,目前的规格定义到 3200MHz,将来可望达到 4266MHz。
  • 耗电量: 省电是 DDR4 最明显的改进之处。DDR3 所需的标准电源供应是 1.5V(伏特,电压单位)而 DDR4 降至 1.2V,专门为移动设备设计的低功耗 DDR4(LPDDR4)更降至 1.1V。除了降低工作电压,DDR4 支持深度省电模式(Deep Power Down Mode),在暂时不需要用到内存的时候可进入休眠状态,无须更新内存(Refresh),可进一步减少待机时功率的消耗。
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▲ DDR4 vs. DDR3的标准化能量消耗(Source:extremetech

除了上述的三个主要部份外,DDR4 还支持命令/位址汇流排上的同位核对(parity check),以及在资料写入时,资料汇流排上支持循环冗余核对(CRC)等功能,以自动侦错的方式来避免因讯号干扰而导致不正确的命令或资料被写入内存,增加高速传输时资料的完整性。

 

DDR4 应用限制

世上没有白吃的午餐。虽说 DDR4 具有上述的优点,但在应用上却有额外的负担。

首先,跟 DDR3 相比,DDR4 读写指令需要更长的启动时间周期(Read Latency 或 Write Latency,也就是读写指令下达后,需花费多少时间周期,资料才会出现在界面上)。因此在相同频率下,DDR4 的读写效率会比 DDR3 低。这其实是可以理解的。随着半导体制程技术的提升,内存对外的界面逻辑电路的速度也越变越快,但内存内部的反应速度却没有增加,因此对外部的控制电路而言,DDR4 的读写指令需要更长的时间周期才能被启动。换句话说,DDR4 的输入时脉频率或许可以比 DDR3 快上一倍,但内存的反应速度并没有增快一倍,因此只好定义更多的读写起始周期来因应。若因为系统的限制,使得 DRAM 的输入时脉无法达到太高的频率时,DDR3 的读写效率会比 DDR4 来得好。其实从 DDR2 进展到 DDR3 时也有类似的问题发生。新一代的内存在刚推出的时候,价格不但偏高,同频操作下的效率又比旧型内存差,总要过一段时间,市场对高速内存的需求升高,再加上产能提升带动单位内存价格的下降,才会真正达到世代交替。

其次,DDR3 有 8 个独立内存组(bank),每个bank可独立接收读写指令。控制 DRAM 的逻辑电路若妥善安排内存位址,可以减少相邻读写指令间等待的时间,降低资料汇流排额外闲置的机率,提高传输的效能。DDR4 虽然增加内存组数为 16,但却加入内存群组(bank group)的限制。不同 bank 但若属于同一个 bank group,连续读写指令间必须增加等待时间周期,造成资料汇流排的闲置机率升高,传输效能降低。在此种限制下,如何充分利用资料汇流排以达成最高效率,对于控制 DDR4 的逻辑电路设计是新的挑战。

目前各 DRAM 大厂已陆续推出 DDR4 的内存模组,英代尔最新个人电脑旗舰平台 — Haswell-E 搭配 X99 芯片组全面支持 DDR4,价格上比相似规格的 DDR3 贵上 20~50%,实际使用起来却感受不到太大的差别。其实内存的执行速度虽然重要,多数情况下并不是系统效能的瓶颈所在。因此,价格如果不能大幅降低,对桌上型电脑的消费者而言,改用 DDR4 的诱因不大。

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▲ 2014 Q1~Q2 全球品牌 DRAM 营收排行表(Source:DRAMeXchange, Aug, 2014)

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▲ 品牌 DRAM 各国市占率(Source:DRAMeXchange, Aug, 2014)

移动 DRAM 兴起带动市场需求

近几年 DRAM 的供需市场产生很大的变化。 2013 年美光(Micron Technology Group)并购日本内存大厂尔必达(Elpida)后,全球 DRAM 生产几乎由前三大公司:三星(Samsung)、海力士(SK Hynix)以及美光所霸占,小厂只能挑选大厂已经淘汰的小众市场勉强维持。而低功耗的移动 DRAM(mobile DRAM)逐渐取代标准型 DRAM,成为 DRAM 产业最重要的市场。根据 DRAMeXchange 所做的统计,苹果公司(Apple Inc)已是全球 DRAM 最大采买商,预计 2015 苹果的产品将占用全球 25% 的 DRAM 产能。

DRAMeXchangee 更进一步预测,2014 年移动 DRAM 占整体 DRAM 产出的 36%,2015 年有机会突破 40% 大关。由此趋势看来,未来几年,移动内存大有机会取代标准型 DRAM,成为最大的 DRAM 产出。目前高端智能手机或平板电脑上的 DRAM 配备容量大约是 1GB~2GB,对省电方面的要求更加严格。今年多家手机大厂新推出的旗舰型智能手机计划将搭载低功耗的移动 DDR4(LPDDR4),加上苹果新一代 iPhone 与 iPad 将提高内建 DRAM 容量,预期 LPDDR4 将比标准 DDR4 更快普及。看准移动 DRAM 的商机,DRAM 三大厂纷纷宣布设置新设备来增加移动 DRAM 的产量。在标准型 DRAM 方面,虽然个人电脑市场需求下滑,但近年来云端运算与云端资料储存应用的崛起,带动服务器设备需求逐年攀升,服务器 DRAM 也跟着稳定成长,成为标准型 DDR4 切入市场的契机。

以 DRAM 的基本结构(一个电容和一个电晶体组合成一个记忆单元)来看,未来在速度与耗电量的改进空间不大,产学界早已积极开发类似的内存架构,例如 Z-RAM、TTRAM 等,DDR4 会不会是末代 DRAM 标准,谁也无法预测。

台湾的 DRAM 产业曾经是台湾科技界指标性产业,但经过 10 多年的巨额投资,终究还是敌不过韩国与美国大厂,在下一个 DRAM 周期的春天来临前就黯然退出主要竞赛行列。侥幸存活的少数厂商只能转而帮其他大厂代工,或是改为生产不被大厂青睐、市场规模较小的产品。如今内存整体市场已经跟 10 年前大不相同。移动设备与物联网所带动的市场需求,明显地朝向更小、更省电的方向,而非一昧着重在速度跟效率上。若能好好掌握这股新的趋势,未来台湾厂商在内存产业还是大有可为。

(本文由 北美智权报 授权转载)

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